冷油器換熱片穿孔泄漏原因分析

張雪超，程 璐，張 濤，云 峰，張志浩

(1.內蒙古電力(集團)有限責任公司，呼和浩特010020;2.呼和浩特供電局，呼和浩特 010020)

0 引 言

奧氏體不銹鋼具有較好的耐腐蝕性能和抗氧化性能，常將其用在換熱片、油管路等腐蝕性較強的環境下。但由于其對氯化物具有腐蝕敏感性，在應力的作用下產生應力腐蝕。目前對奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕機理的研究已經成熟，采取有效的防護措施，遏制奧氏體不銹鋼腐蝕，能夠有效提高設備的使用壽命。

某電站小汽輪機在運行過程中，潤滑油冷油器換熱片發生穿孔泄漏。該冷油器已累計運行32 000 h。送檢的試樣為發生穿孔泄露的小汽輪機潤滑油冷油器換熱片4片，厚度均為0.5 mm，材質為316L不銹鋼，其中1號試樣發生穿孔泄露，3號試樣表面存在腐蝕坑。為確定換熱片發生泄漏的原因，防止同類失效再次發生，此文對換熱片泄漏原因進行了綜合分析。

1 檢驗方法與試驗分析

1.1 宏觀形貌觀察與分析

對穿孔泄漏的冷油器換熱片進行宏觀形貌檢察?？梢钥闯觯瑩Q熱片上有一處長約4 mm較大坑槽已徹底穿孔，孔徑小于1 mm，如圖1所示。

1.2 化學成分檢測與分析

按照GB/T 11170—2008《不銹鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法(常規法)》[1]要求，使用SPECZROMAXx型臺式直讀光譜儀對穿孔泄漏換熱片取樣進行化學成分分析，以確定其化學成份是否符合標準的要求，結果見表1?？梢钥闯?，冷油器換熱片的化學成分中各元素含量均符合GB/T 3280—2007《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》[2]中316L材料化學成分要求。因此，導致換熱片產生應力腐蝕的腐蝕物來源于環境。

表1 換熱片化學成分檢測結果

1.3 顯微組織檢測與分析

按照DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗與評定技術導則》[3]要求，采用Axio Observer.A1m型金相顯微鏡對穿孔泄漏的換熱片取樣，如圖2所示。換熱片泄漏孔部位已沿厚度方向形成不規則的孔洞，其組織以單相奧氏體并伴有孿晶組織為主，未見明顯老化。此外，由于換熱片在沖壓成型過程中發生較大形變，組織中伴有部分形變馬氏體組織。

圖2 穿孔泄漏換熱片橫截面顯微組織

1.4 斷口微區檢測與分析

采用S-3700N型掃描電子顯微鏡綜合測試系統對換熱片穿孔部位及宏觀正常部位進行了微區形貌檢測與分析，如圖3所示。

圖3 換熱片SEM微觀形貌

可以看出，在穿孔部位及其附近存在眾多的點狀腐蝕坑，局部位置有晶粒沿晶界剝落現象，在遠離腐蝕坑槽的宏觀良好的換熱片表層可以觀察到整體的沿晶開裂現象。

采用能譜分析儀對穿孔部位的成分進行分析，如圖4所示，該部位存在極易于導致奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的Cl、Na和K等元素，這些元素組成的鹽類物質對換熱片產生了腐蝕[4-5]。

圖4 穿孔處能譜圖

1.5 力學性能檢測與分析

按照標準GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》[6]要求，對穿孔泄漏的換熱片取樣，在Tukon2500-6型Wilson維式顯微硬度計上進行硬度試驗，在20 ℃條件下，結果見表2?？梢钥闯?，該換熱片的硬度高于標準GB/T 3280—2007《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》要求，這與換熱片在沖壓成型的變形過程中產生部分形變馬氏體組織有關。

表2 換熱片硬度測試結果Table 2 Hardness test results of heat exchanger plate

2 結果分析

根據斷口宏觀及微觀形貌來看，冷油器換熱片穿孔部位存在眾多點狀腐蝕坑，并有晶粒沿晶界剝落現象，說明由于環境存在腐蝕性介質或者對奧氏體敏感的腐蝕元素，由于換熱片的化學成分符合標準要求，且對穿孔部位進行能譜分析，可檢測到Cl、Na和K元素的存在，而奧氏體對Cl-非常敏感，易發生腐蝕[7-8]。當溶液中含有大量的H+和Cl-時，H+的存在會促使溶液中Cl-在鈍化膜中的集聚，使得局部Cl-的濃度更高，當濃度增加到某一臨界值時，鈍化膜發生破裂而產生點蝕，試樣進一步加速腐蝕。316L不銹鋼在富含Cl-的酸性介質中的電化學反應如下：

Fe-2e-→Fe2+

2H++2e-→H2

Fe+H2O→Fe(OH)3+H2↑

在腐蝕條件下隨著pH值的降低，陰極反應加速，產生大量的H+，而且部分結合為H2，另一部分H+進入金屬內部，降低試樣的強度和塑性，導致裂紋的產生。因此在顯微組織中可以看到，在遠離腐蝕坑槽部位換熱片表面存在大面積的沿晶表面微裂紋。鹽類物質對奧氏體的腐蝕導致晶間裂紋的產生，致使表面產生微裂紋。根據金相組織分析可知在換熱片基體材料中存在馬氏體組織，這也是換熱片的硬度高于標準的原因[9]。馬氏體的存在也使換熱片韌性降低[10]，在存在裂紋源的情況下，由于內應力的作用，更容易穿孔或開裂。

3 結 語

綜上分析，此次小汽輪機潤滑油冷油器換熱片穿孔泄漏，因換熱片接觸的介質中存在極易于導致奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的Cl、Na和K等元素，這些元素組成的鹽類物質對換熱片產生了點腐蝕并導致其最終穿孔泄漏。

鑒于此次給水泵換熱片穿孔泄漏的情況，建議檢查換熱器所接觸介質中是否存在Cl-及其他鹽類超標的問題，以避免再次發生類似穿孔泄漏事故。